Studentská tvůrčí a odborná činnost STOČ 2013
ASTAMINI – AUTOMATICKÝ SYSTÉM PRO TERÁRIA A AKVÁRIA Bc. Libor Valíček
Univerzita Tomáše Bati ve Zlíně Fakulta aplikované informatiky Nad Stráněmi 4511 760 05 Zlín
25. dubna 2013 FAI UTB ve Zlíně
STOČ 2013 - Studentská tvůrčí a odborná činnost 25. dubna 2013, FAI UTB ve Zlíně Klíčová slova: Systém, Řídící, Automatický, Elektronický, Mikroprocesor Anotace: Hlavní funkcí systému ASTAmini je ovládání osvětlení LED diod na akváriu či teráriu. Ovládání spočívá v nastavení doby svícení LED diod, jejich plynulé rozsvícení na začátku dne a postupné stmívání večer. To je jedním z hlavních požadavků pro vytvoření přirozených podmínek k chovu cizokrajných živočichů. Systém umožňuje řídit čtyři kanály nezávisle na sobě (například tři kanály s bílým světlem pro denní svícení a jeden s modrým světlem pro noční svícení). Dále je měřena teplota LED světel, neboť jde o důležitý parametr vzhledem k živostnosti LED diod. Při překročení nastavené teploty světel se rozbliká varovná kontrolka a rozezní siréna upozorňující na nežádoucí stav.
2
STOČ 2013 - Studentská tvůrčí a odborná činnost 25. dubna 2013, FAI UTB ve Zlíně
Obsah LED diody a jejich řízení ............................................................................ 4
1. 1.1
Řadiče LED diod ..................................................................................... 4
1.2
PWM........................................................................................................ 4
2.
Hardware systému ....................................................................................... 5
3.
Software a ovládání ..................................................................................... 6 3.1
Režimy NORMAL a DEMO ................................................................... 6
3.2
Nastavení doby svícení ............................................................................ 6
3.3
DEN/NOC ............................................................................................... 7
3.4
MENU systému ....................................................................................... 7
4.
Technické parametry a možnosti systému .................................................. 9
5.
Závěr............................................................................................................ 9
6.
Literatura ................................................................................................... 10
3
STOČ 2013 - Studentská tvůrčí a odborná činnost 25. dubna 2013, FAI UTB ve Zlíně
1.
LED diody a jejich řízení
Výhody LED diod snad již není potřeba v dnešní době podrobně popisovat. Hlavními přednostmi jsou nízká spotřeba (20 až 50 % provozních nákladů oproti žárovkám), dlouhá životnost (50 000 až 100 000 hodin), nízká teplota, okamžitý start, ale i ekologičnost (soulad se směrnicí RoHs), regulovatelnost a spolehlivost. 1.1
Řadiče LED diod
Ovládat intenzitu LED diod je možné dvěma způsoby. Levnější variantou je přidat k LED diodám rezistor a jeho změnou řídit jas diod. Tato varianta má nevýhodu v podobě ztrátového výkonu na rezistorech. Výhodnější metodou je řízení jasu pomocí pulsně šířkové modulace (PWM) za pomocí spínacího tranzistoru. Nejlepší metodou je využít řadiče LED diod, který navíc nabízí lepší efektivitu, nepotřebuje snímací rezistor pro měření proudu, nezahřívá se a umožňuje nastavit výstupní proud v rozmezí od 0.3 do 1 A. 1.2
PWM
Pulsně šířková modulace, neboli PWM (Pulse Width Modulation) je diskrétní modulace pro přenos analogového signálu pomocí dvouhodnotového signálu. Jako dvouhodnotová veličina může být použito například napětí, proud, nebo světelný tok. Signál je přenášen pomocí střídy. Pro demodulaci takového signálu pak stačí dolnofrekvenční propust. Vzhledem ke svým vlastnostem je pulsně šířková modulace často využívána ve výkonové elektronice pro řízení velikosti napětí nebo proudu. Kombinace PWM modulátoru a dolnofrekvenční propusti bývá rovněž využívána jako levná náhrada D/A převodníku.
Obrázek 1 : Pulsně šířková modulace
4
STOČ 2013 - Studentská tvůrčí a odborná činnost 25. dubna 2013, FAI UTB ve Zlíně 2.
Hardware systému
Systém ASTAmini sestává z několika bloků. Hlavní řídící část obsahuje mikroprocesor ATMega328 od firmy Atmel Corporation. Pro zobrazení údajů je použit dvoumístný, sedmi segmentový LED displej, který získává data přes posuvný registr 74HC4094 a tranzistorové pole ULN2803, jenž dodává displeji patřičný proud. Napájení zajišťuje spínací DC/DC měnič konvertující vstupní napětí v rozsahu 6.5 až 24 V na požadované napětí 5 V. Napájecí část je opatřena ochrannými prvky jako je Schottkyho dioda s malým úbytkem napětí proti přepólování. Dále transilem P6KE24 (nebo P6KE12) proti přepětí. Tlumivkou 10 uH proti vyzařování vysokých frekvencí po vedení zpět do napájecí sítě a za DC/DC měničem je umístěn transil SMAJ6A pro ochranu před statickým výbojem. O zálohování v případě výpadku napájení se stará baterie CR2032. Transil SMAJ6A je i u každého řídícího výstupu a rovněž typ SMAJ42A je u každého výstupu, neboť je to místo, kde se uživatel nejčastěji dotýká zařízení a může výbojem statické elektřiny poškodit spínací MOSFET tranzistory. Výstupy jsou celkem čtyři a každý může být opatřen spínacím MOSFET tranzistorem typu N. Pokud je pro LED diody použit speciální řadič, jsou tyto tranzistory zbytečné a neosazují se. Řadič LED diod (LED driver) je typ LM3414 od firmy Texas Instruments. (5) O správný čas se stará obvod reálného času DS1307 (6) firmy Dallas Semiconductor (nyní Maxim Integrated) nebo MCP79410 (7) firmy Microchip. Obvody jsou zaměnitelné a osazuje se typ, který je právě dostupný na trhu za přijatelnější cenu. Teplotu měří digitální snímač DS18B20 firmy Maxim Integrated. Posledním blokem je enkodér EC12E firmy ALPS, který se stará o ovládání celého systému.
Obrázek 2: Blokové schéma zapojení systému ASTAmini
5
STOČ 2013 - Studentská tvůrčí a odborná činnost 25. dubna 2013, FAI UTB ve Zlíně Vhodným zástupcem pro řízení LED diod je obvod LM3414HV od firmy Texas Instrumenst (5), který má všechny potřebné vlastnosti. Jedná se vlastně o snižující DC/DC měnič pracující na frekvenci 250 až 1000 kHz, umožňující spínat 60 W integrovaným MOSFET tranzistorem typu N. Obvod pro svou funkci vyžaduje několik součástek (viz. Obr. 6).
Obrázek 3 : Zapojení řadiče LED diod LM3414
3.
Software a ovládání
Program pro systém ASTAmini je napsán v jazyce C a využívá standardní funkce a knihovny. Ovládání systému je prostřednictvím otočného enkodéru, který má i funkci tlačítka. 3.1
Režimy NORMAL a DEMO
Systém ASTAmini pracuje ve dvou režimech. Režim NORMAL, který je aktivní při přivedení napájecího napětí. A režim DEMO, který se aktivuje podržením tlačítka enkodéru v okamžiku přivedení napětí Režim NORMAL znamená běžný režim, kdy systém pracuje v reálném čase a řídí osvětlení LED diod dle nastavených hodin. Jas LED diod se mění každou minutu. Režim DEMO slouží pro vyzkoušení systému, pro ověření všech příslušenství a pro seznámení se se systémem. V tomto režimu se jas LED diod mění každou vteřinu o deset jednotek. Z toho vyplývá, že nastavená hodina bude v DEMO režimu namísto 60 minut jen 6 vteřin. 3.2
Nastavení doby svícení
Dobu svícení lze nastavit od 0 do 22 hodin. Znamená to, že si můžete zvolit, jak dlouho budou LED diody svítit během dne. LED diody se vždy hodinu rozsvěcují, poté svítí po nastavenou dobu a poté se hodinu stmívají, až zhasnou úplně.
6
STOČ 2013 - Studentská tvůrčí a odborná činnost 25. dubna 2013, FAI UTB ve Zlíně 3.3
DEN/NOC
Častým požadavkem je mít bílé LED diody pro denní svícení a modré LED diody pro noční svícení. Díky možnosti stmívat až čtyři kanály je možné nastavit si přirozené světelné podmínky pro chov Vašich zvířat. Příklad: Ráno v 7 hodin zapnu systém a tím se nastaví počátek svícení. Během první hodiny se rozednívají bílé LED diody a poté svítí 8 hodin na maximální jas až do 16 hodin. Hodinu před stmíváním bílých LED diod, čili v 15 hodin, se začnou rozednívat modré LED diody. V 16 hodin svítí plným jasem bílé i modré LED diody. Bílé se začnou stmívat a v 17 hodin jsou již zhasnuty. Modré LED světlo svítí do 17 hodin a poté se hodinu stmívá a v 18 hodin zhasne úplně. Průběh svícení LED diod zobrazuje následující obrázek:
Obrázek 4 : Nastavení doby svícení LED diod
3.4
MENU systému
Menu systému je velmi jednoduché. Nabízí pouze pět položek, které k plnému nastavení postačí. Pro vstup do MENU použijte tlačítko enkodéru. Všechny údaje se nastavují otočným kolečkem na systému. Pro potvrzení hodnoty a přechod na další položku v menu opět stiskněte tlačítko enkodéru. Po šestém stisku tlačítka opustíte menu. DOBA SVÍCENÍ Po prvním stisku tlačítka se zobrazí první hodnota, která signalizuje DOBU SVÍCENÍ pro denní světla. Indikace o nastavování DOBY SVÍCENÍ je za pomocí svítící tečky na displeji mezi číslicemi (viz. Obr. 3). Dobu svícení lze nastavit v rozmezí 0 až 22 hodin. Doba svícení závisí na zapnutí systému a je relativní (tzn., že pokud systém zapnete v 8 hodin ráno a nastavíte 12 hodin jako dobu svícení, budou se světla rozsvěcovat od 8 do 9 hodin, pak budou od 9 do 19 hodin svítit, od 19 do 20 hodin se budou světla stmívat a ve 20 hodin úplně zhasnou).
7
STOČ 2013 - Studentská tvůrčí a odborná činnost 25. dubna 2013, FAI UTB ve Zlíně
Obrázek 5 : Doba svícení LED diod
ÚROVEŇ SVITU Druhou položkou v menu je ÚROVEŇ SVITU, ta znamená maximální jas, kterým budou LED diody svítit po DOBU SVÍCENÍ. Indikace o nastavování ÚROVNĚ SVITU je za pomoci svítící tečky na displeji vpravo za číslicemi (viz. Obr. 4). ÚROVEŇ SVITU se nastavuje v rozmezí 0 až 99, kdy 99 je maximální jas, kterým mohou LED diody svítit (99 v tomto případě odpovídá 100% jasu, číslo 100 se nezobrazuje proto, že je displej jen ze dvou číslic). Při nastavování ÚROVNĚ SVITU se IHNED mění jas LED diod. To je velká výhoda, neboť okamžitě vidíte, jak moc budou LED diody svítit při nastaveném jasu po DOBU SVÍCENÍ.
Obrázek 6 : Úroveň svitu LED diod
TEPLOTA Třetí položkou v menu je nastavení mezní TEPLOTY. Mezní teplota znamená, že při dosažení této teploty začne systém ASTAmini uživatele varovat o této události pípáním každých 5 vteřin a zapnutím ventilátorů (pokud jsou siréna a ventilátory připojeny). Rovněž bliká varovná červená LED dioda na čelním panelu. Této funkce se využívá pro sledování teploty LED diod v osvětlení. LED diody se svícením zahřívají a při dlouhodobém provozu při vysokých teplotách LED diody degradují. Proto je důležité LED diody chladit a měřit jejich teplotu. Indikace o nastavované TEPLOTĚ je za pomoci obou teček na displeji (viz. Obr. 5).
8
STOČ 2013 - Studentská tvůrčí a odborná činnost 25. dubna 2013, FAI UTB ve Zlíně
Obrázek 7 : Nastavení teploty
4.
Technické parametry a možnosti systému Napájecí napětí Spotřeba Maximální proud spínacím řadičem pro LED diody Maximální napětí pro LED diody Typ teplotního čidla Teplotní rozsah Přesnost čidla Změna režimů Indikátor překročení teploty Teplotní rozsah krabičky Rozměry krabičky Materiál krabičky Doporučený průřez vodičů Krytí svorkovnice
5.
+7 až +24 V SS Max 1 W Dle typu spínacího řadiče. Standardně 1 A Dle typu spínacího řadiče. Standardně 42V DS18B20 -55 až 125 °C ± 0.5 °C v rozsahu -10 až 85 °C Otočný tlačítkový spínač (enkodér) červená LED -30 °C až 70 °C 115 x 90 x 17 mm ABS průřez 0,35 až 1,5 mm2 IP 30 podle ČSN EN 60 529
Závěr
Účelem práce bylo sestavení řídicího systému pro plynulé rozsvěcování a stmívání výkonových LED diod. Hlavní podstatou je omezit tzv. světelný šok, kterým zvířata chovaná v zajetí trpí nejvíce. Světelný šok, kdy se najednou rozsvítí velké světlo, dokáže některá zvířata natolik stresovat, až uhynou. Díky plynulému rozsvěcování nejsou zvířata chovaná v zajetí stresována a mají lepší podmínky pro život. Systém ASTAmini tuto funkci zvládá bezchybně a majitel se může na systém plně spolehnout.
9
STOČ 2013 - Studentská tvůrčí a odborná činnost 25. dubna 2013, FAI UTB ve Zlíně 6.
Literatura
[1] KAČMÁŘ, D. Jazyk C. 1. vyd. Praha: COMPUTER PRESS, 2000. ISBN 80-7226-295-5. [2] HABEL, J. et al. Světlo a osvětlení. 1. vyd. Praha: MAGNET PRESS, 2013. ISBN 97880-86531-21-3. [3] WINDER, S. Power suplies for LED driving. USA: Newnes, 2008. ISBN 978-0-75068341-8. [4] LENK, R., LENK, C. Practical lighting design with LEDs. New Jersey: IEEE Press, 2011. ISBN 978-1-118-00820-1. [5] Ti.com: 1A 60W Common Anode Capable Constant Current Buck LED Driver Requires No External Current Sensing Resistor [online]. 2011 [cit. 2013-04-20]. Dostupné z: http://www.ti.com/product/lm3414?qgpn=lm3414 [6] Maximintegrated.com: DS1307 64 x 8, Serial, I2C Real-Time Clock [online]. 2008 [cit. 2013-04-20]. Dostupné z: http://www.maximintegrated.com/datasheet/index.mvp/id/2688 [7] Microchip.com: I2C™ Real-Time Clock/Calendar with EEPROM, SRAM,Unique ID and Battery Switchover [online]. 2011 [cit. 2013-04-20]. Dostupné z: http://www.microchip.com/wwwproducts/Devices.aspx?dDocName=en550280
10
